分析PTN时钟同步技术及应用

 

　　时钟同步是分组传送网(PTN)需要考虑的重要问题之一。可以采用同步以太网、IEEE 1588v2、网络时间协议(NTP)等多种技术实现时钟同步。同步以太网标准的同步状态信息(SSM)算法存在时钟成环，以及难以对节点跟踪统计的问题。中兴通讯提出了一种扩展SSM算法可以改进时钟同步问题。在时间同步方面，由于NTP的精度还无法满足电信网的需求，仅采用1588v2又会带来收敛时间较慢、在网络负载较重时时间延迟精度容易受到影响等问题。中兴通讯提出了同步以太网基础的1588v2时间传递方案，对提高PTN网络中时间同步的精度起到了较好的作用。

　　当运营商对分组传送网(PTN)取代传统时分复用(TDM)传输网的需求日益明显时，如何解决时钟同步成为重要问题之一。对分组传送网的同步需求有两个方面：一是可以承载TDM业务并提供TDM业务时钟恢复的机制，使得TDM业务在穿越分组网络后仍满足一定的性能指标(如ITU-TG.823/G.824规范);二是分组网络可以像TDM网络一样，提供高精度的网络参考时钟，满足网络节点(如基站)的同步需求。

　　1 同步技术

　　时钟同步包括：频率同步和时间同步。频率同步要求相同的时间间隔，时间同步要求时间的起始点相同和相同的时间间隔。

　　无线技术不同制式对时钟的承载有不同的需求，GSM/WCDMA采用的是异步基站技术，只需要做频率同步，精度要求0.05 ppm，而TD-SCDMA/CDMA2000需要时间同步，TD- SCDMA的精度要求为±1.5 μs。

　　从2004年开始，国际电信联盟电信标准部门(ITU-T)Q13/SG15开始逐步制订关于分组网同步技术的系列建议书，主要有：G.8261(定义总体需求)、G.8262(定义设备时钟的性能)、G.8264(主要定义体系结构和同步功能模块)。

　　IEEE在2002年发布了IEEE 1588标准，该标准定义了一种精确时间同步协议(PTP)。IEEE1588是针对局域网组播环境制订的标准，在电信网络的复杂环境下，应用将受到限制。因此在2008年又发布了IEEE1588v2(以下简称1588v2)，该版本中增加了适应电信网络应用的技术特点[1-5]。

　　因特网工程任务组(IETF)网络时间同步协议(NTP)实现了Internet上用户与时间服务器之间时间同步。

　　2 同步以太网技术

　　物理层同步技术在传统同步数字体系(SDH)网络中应用广泛。每个节点可从物理链路提取线路时钟或从外部同步接口获取时钟，从多个时钟源中进行时钟质量选择，使本地时钟锁定在质量最高的时钟源，并将锁定后的时钟传送到下游设备。通过逐级锁定，全网逐级同步到主参考时钟(PRC)被实现。对分组网络也可采取相似的技术，其原理如图1所示。

　　2.1 同步以太网原理

　　分组网络中的同步以太网技术是一种采用以太网链路码流恢复时钟的技术。以太网物理层编码采用4B/5B(FE)和8B/10B(GE)技术，平均每4个比特就要插入一个附加比特，这样在其所传输的数据码流中不会出现连续4个1或者4个0，可有效地包含时钟信息。在以太网源端接口上使用高精度的时钟发送数据，在接收端恢复并提取这个时钟，时钟性能可以保持高精度。

　　同步以太网原理如图2所示。在图2中发送侧设备(节点A)将高精度时钟注入以太网的物理层芯片，物理层芯片用这个高精度的时钟将数据发送出去。接收侧的设备(B节点)的物理层芯片可以从数据码流中提取这个时钟。在这个过程中时钟的精度不会有损失，可以与源端保证精确的时钟同步。同步以太网传递时钟的机制与SDH网络基本相似，也是从以太网物理链路恢复时钟，因此从恢复的时钟质量不受链路业务流量影响，可提供与SDH/SONET网络相同的时钟树部署和时钟质量，完全满足G.823规定的定时接口指标。

　　2.2 同步以太网SSM算法

　　同步状态信息(SSM)算法源于SDH的时钟同步控制，使用规则和时钟选择算法符合ITU-T G.781的规范。同步以太网的SSM控制继承了SDH网络特性，在传统时钟网的基础上通过增加以太网同步消息信道(ESMC)丰富了同步以太网的支持。G.8264里对其进行了描述。以太网同步消息信道是媒体访问控制(MAC)层的单向广播协议信道，用于在设备间传送同步状态信息SSM。设备根据ESMC报文的SSM信息选择最优的时钟源。

　　虽然标准SSM算法能够很好地实现网络时钟的同步，但是它有两个不足之处：一是不能很好地处理同步时钟成环的问题。需要在工程上和时钟配置的时候特别注意，保证避免出现时钟成环的情况。二是时钟信号的衰减问题。随着同步链路数的增加，同步分配过程的噪声和温度变化所引起的漂移都会使定时基准信号的质量逐渐劣化，因此在同一个同步链路上实际的可同步网元的数目是受限的，而通过标准SSM难以对节点进行跟踪统计。

　　中兴通讯PTN设备采用了改进的扩展SSM算法，在ESMC报文里使用两个类型-长度-取值(TLV)传递SSM信息。第一个TLV传递原SSM字节的信息为同步质量等级，遵循ITU-T标准;另外一个TLV用于路径保护。改进的算法具有如下优势：

　　从根本上防止了时钟成环。当存在多条时钟路径时，自动选择最优(最短)路由。只要存在到达主时钟的路由，网元就会跟踪主时钟，而不会进入自由振荡状态。算法为低层分布式处理，因此各网元地位等同，操作简单。标准的S1字节可以直接使用，不影响与其他厂家设备的对接。

　　3 时间同步技术

　　时间同步技术是频率同步的进一步发展。分组时间同步技术采用分组协议数据单元作为时钟或时间信息的载体，是实现主时钟与从时钟时间之间同步比较好的方式。其基本原理如图3所示。

　　

 

　　3.1 网络时间协议

　　在IEEE 1588v2技术出现以前，在分组网络中用于时间同步的协议主要的有3种：时间协议、日时协议和网络时间协议(NTP)。NTP由纯软件实现，精度比较低。目前广泛使用的NTPv3可以达到10 ms左右的同步精度。IETF正在进行NTPv4的标准工作，支持IPv6和动态发现服务器，预计同步精度可达到10 μs级。NTP的稳定性和精度还不能满足电信网的高要求。

　　3.2 1588v2协议

　　3.2.1 1588v2协议的实现原理

　　1588v2是未来统一提供时间同步和频率同步的方法，能适合于不同传送平台的局间时频传送，既可以基于1588v2的时间戳以基于分组的时间传送(TOP)方式单向传递频率，也可使用IEEE 1588v2的协议实现时间同步，在PTN设备中得到广泛应用。

　　1588v2时间同步的核心思想是采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，通过报文消息的双向交互实现主从时间的同步。

　　1588v2协议原理如图4所示。图中，Delay=(T2-T1+T4-T3)/2，Offset=(T2-T1-T4+T3)/2。

　　主时钟(Master)与从时钟(Slave)之间发送Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp消息。通过T1、T2、T3、T4这4个值，主从时种可计算出MaSTer与Slave之间延迟(Delay)，以及Master与Slave的时间差(Offset)。

　　

 

　　同步消息类型有一般消息和事件消息。一般消息(例如Follow_Up)本身不进行时戳处理，它可以携带事件消息(如Sync)的准确发送或接收时间，还具有完成网络配置、管理，或PTP节点之间通信的功能。事件消息本身需要进行时戳处理，并可携带或不携带时戳。从时钟根据事件消息的时戳或由一般消息携带的时戳计算路径延迟和主从时钟之间的时间差。